本發(fā)明屬于測(cè)試傳感領(lǐng)域，涉及一種可用于增大力矩傳感器量程的方法，尤其是基于DSP和PID算法的電磁補(bǔ)償控制方法。

背景技術(shù)：

傳感器的技術(shù)不斷發(fā)展，當(dāng)今時(shí)代，從航天工業(yè)到日常生活都離不開(kāi)各式各樣的傳感器。其中，力矩傳感器是航空航天、航空、船舶、汽車等領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，這些行業(yè)的不斷發(fā)展對(duì)力矩傳感器的要求也越來(lái)越高，然而在現(xiàn)有技術(shù)情況下，在力矩傳感器設(shè)計(jì)制造的過(guò)程中卻面臨量程和靈敏度無(wú)法兼顧的困難?？陀^上需要研發(fā)一種能保證力矩傳感器靈敏度但又能提高其量程的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法，克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺點(diǎn)。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法，待測(cè)量外力矩作用在力矩傳感器上時(shí)，力矩傳感器會(huì)有信號(hào)輸出，將所述信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，獲得電磁鐵的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和放大后用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵，使其產(chǎn)生一個(gè)和待測(cè)量外力矩方向相反的力矩作用于力矩傳感器上，然后再次對(duì)力矩傳感器的輸出進(jìn)行采樣；若力矩傳感器所受的合力矩不為0，則根據(jù)當(dāng)前力矩傳感器的輸出對(duì)電磁鐵的控制信號(hào)進(jìn)行重新計(jì)算，通過(guò)這樣的一個(gè)閉環(huán)控制讓電磁鐵產(chǎn)生的反向力矩和所需測(cè)量的外力矩大小相等，從而使得作用在力矩傳感器上的合力矩為0，此時(shí)通過(guò)電磁鐵作用在力矩傳感器上的力矩就能間接得到待測(cè)外力矩的大小和方向；此時(shí)若一個(gè)較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時(shí)，控制電磁鐵的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的電磁補(bǔ)償用來(lái)抵消作用在力矩傳感器上的外力矩，將力矩傳感器的功能轉(zhuǎn)化為判斷電磁補(bǔ)償和外力矩是否平衡，實(shí)現(xiàn)力矩傳感器的靈敏度不變而量程大大被提高。

進(jìn)一步，優(yōu)選地，所述信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到DSP數(shù)據(jù)處理電路中進(jìn)行基于卡爾曼數(shù)字濾波的PID算法運(yùn)算獲得電磁鐵的控制信號(hào)。

優(yōu)選地，所述此時(shí)若一個(gè)較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時(shí)，通過(guò)DSP高速的數(shù)據(jù)處理能力來(lái)控制電磁鐵的輸出。

優(yōu)選地，采用基于卡爾曼數(shù)字濾波的位置式PID算法，首先對(duì)芯片進(jìn)行初始化，完成芯片內(nèi)部管腳、片內(nèi)資源的配置；然后配置McBSP多功能同步串行接口，時(shí)鐘Timer以及中斷；初始化PID參數(shù)，并且令初始偏差e(0)＝0,目標(biāo)值r(0)＝0；

完成以上基本配置后，進(jìn)入PID控制循環(huán)；首先采入c(k)值，然后計(jì)算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之后對(duì)所述偏差進(jìn)行累加，通過(guò)位置式PID算法計(jì)算得到控制量u(k)，然后將e(k)的值賦給e(k-1)，等待Timer1延時(shí)觸發(fā)；

將控制量u(k)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)放大電路放大，用放大后的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，電磁鐵輸出產(chǎn)生的力矩與外力矩形成合力矩，三維力矩傳感器會(huì)對(duì)合力矩產(chǎn)生響應(yīng)，將響應(yīng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；當(dāng)Timer1定時(shí)中斷滿足中斷條件后，再次采入c(k)值，開(kāi)始下一次PID控制。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明能在保證力矩傳感器靈敏度的前提下提高其量程。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明方法的原理框圖。

圖2為本發(fā)明方法基于卡爾曼數(shù)字濾波的PID算法框圖；

圖3為本發(fā)明方法基于卡爾曼數(shù)字濾波的位置式PID算法控制流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖所示對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本發(fā)明一種兼顧靈敏度的前提下提高力矩傳感器量程的方法：待測(cè)量外力矩作用在力矩傳感器上時(shí)，力矩傳感器就會(huì)有信號(hào)輸出，信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到DSP數(shù)據(jù)處理電路中進(jìn)行基于卡爾曼數(shù)字濾波的PID算法運(yùn)算獲得電磁鐵的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換和放大后用于驅(qū)動(dòng)電磁鐵，使其產(chǎn)生一個(gè)和待測(cè)量外力矩方向相反的力矩作用于力矩傳感器上，然后再次對(duì)力矩傳感器的輸出進(jìn)行采樣，看力矩傳感器所受的和力矩是否為0，若不為0則根據(jù)當(dāng)前力矩傳感器的輸出對(duì)電磁鐵的控制信號(hào)進(jìn)行重新計(jì)算，通過(guò)這樣的一個(gè)閉環(huán)控制可以快速的讓電磁鐵產(chǎn)生的反向力矩和所需測(cè)量的外力矩大小相等，從而使得作用的力矩傳感器上的合力矩為0，此時(shí)通過(guò)電磁鐵作用在力矩傳感器上的力矩就能間接得到待測(cè)外力矩的大小和方向。此時(shí)若一個(gè)較大的力矩作用在小量程高靈敏度力矩傳感器上時(shí)，通過(guò)DSP高速的數(shù)據(jù)處理能力來(lái)控制電磁鐵的輸出，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力矩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的電磁補(bǔ)償用來(lái)抵消作用在力矩傳感器上的外力矩，將力矩傳感器的功能變成判斷電磁補(bǔ)償和外力矩是否平衡。通過(guò)這種方法可以實(shí)現(xiàn)保證力矩傳感器的靈敏度不變而量程大大被提高。

以下以一個(gè)小量程高靈敏度的力矩傳感器作為實(shí)施對(duì)象為例，介紹本發(fā)明基于DSP的力矩傳感器電磁補(bǔ)償控制方法。硬件部分如圖1所示，包括：信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP數(shù)據(jù)處理電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、驅(qū)動(dòng)放大電路，電磁鐵。

在信號(hào)調(diào)理電路中選用了美國(guó)ADI公司生產(chǎn)的AD620和ADA4062-2芯片，其中AD620芯片對(duì)力矩傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，ADA4062-2則配合電阻電容組成有源濾波電路兼?zhèn)錇V波和放大作用。AD轉(zhuǎn)換電路中AD芯片選用美信公司的MAX1301。轉(zhuǎn)換后的離散數(shù)字信號(hào)在DSP數(shù)據(jù)處理電路中控制單元選用德州儀器生產(chǎn)的TMS320C6416芯片。D/A轉(zhuǎn)換電路中D/A芯片選用美信公司的MA5725。驅(qū)動(dòng)電路中放大器選用美國(guó)TI公司生產(chǎn)的OPA548芯片。

總的來(lái)說(shuō)整個(gè)控制系統(tǒng)分為七個(gè)環(huán)節(jié)，如圖1所示。當(dāng)外力矩作用于力矩傳感器上時(shí)，力矩傳感器會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，通常傳感器輸出的信號(hào)很微小、且?jiàn)A雜很多干擾，因此需要先通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行濾波、放大等操作。經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理電路之后所輸出的信號(hào)大小合適且雜波已被過(guò)濾干凈，但還是模擬量，但是控制單元不能對(duì)模擬量進(jìn)行直接處理，因此經(jīng)過(guò)處理之后的信號(hào)需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量之后才能通過(guò)控制單元進(jìn)行控制。經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換之后的信號(hào)傳遞給DSP數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行處理，根據(jù)傳感器所輸出的信號(hào)通過(guò)算法計(jì)算電磁鐵的控制量，并輸出。此時(shí)所輸出的為數(shù)字量，但數(shù)字量并不能直接用于電磁鐵的控制，因此需要通過(guò)DA轉(zhuǎn)換，將DSP數(shù)據(jù)處理所得的電磁鐵控制量轉(zhuǎn)換成模擬量。但由于DA芯片的輸出不足以驅(qū)動(dòng)電磁鐵，因此需要電磁鐵驅(qū)動(dòng)電路來(lái)按照DA轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵。電磁鐵作為整個(gè)系統(tǒng)的最終執(zhí)行器，重新作用在力矩傳感器上。系統(tǒng)工作時(shí)按照這樣處理過(guò)程循環(huán)，直到測(cè)試過(guò)程結(jié)束。

進(jìn)一步，在DSP數(shù)據(jù)處理電路進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過(guò)程中引入PID算法來(lái)控制電磁鐵的輸出，用以平衡作用在力矩傳感器上的外力矩，由于卡爾曼數(shù)字濾波算法能有效的控制干擾信號(hào)和測(cè)量噪聲信號(hào)，因此將其加入到傳統(tǒng)的PID算法中可以有效地抑制外界干擾、減少超調(diào)量、降低系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，使得電磁補(bǔ)償?shù)膶?shí)時(shí)性更好，精確性更好。

基于卡爾曼數(shù)字濾波的PID算法框圖如圖2所示。圖中r_in為預(yù)期的給定值，即平衡時(shí)力矩傳感器的輸出值。u為控制偏差經(jīng)過(guò)PID算法計(jì)算后的控制信號(hào)作用于被控對(duì)象即本發(fā)明中的電磁鐵，同時(shí)作為前一時(shí)刻的估計(jì)值輸入到卡爾曼數(shù)字濾波器中，在控制信號(hào)u作用在被控對(duì)象的過(guò)程中會(huì)引入過(guò)程噪聲W。y為被控對(duì)象的輸出信號(hào)，y_outv為現(xiàn)時(shí)刻的觀測(cè)值，其中引入了觀測(cè)噪聲V。y_out是經(jīng)卡爾曼濾波后的輸出信號(hào)。

本發(fā)明采用基于卡爾曼數(shù)字濾波的位置式PID算法，算法控制流程圖如圖3所示。首先對(duì)TMS320C6416芯片進(jìn)行初始化，完成芯片內(nèi)部管腳、片內(nèi)資源的配置；然后配置McBSP多功能同步串行接口，時(shí)鐘Timer以及中斷；初始化PID參數(shù)，并且令初始偏差e(0)＝0,目標(biāo)值r(0)＝0。完成以上基本配置后，接下來(lái)進(jìn)入PID控制循環(huán)。首先采入c(k)值(所述c(k)為高靈敏度力矩傳感器所輸出的信號(hào)被采集的結(jié)果，即PID算法中的采樣值。采樣值c(k)和目標(biāo)值r(0)的差值就是偏差e(k))，然后計(jì)算偏差e(k)＝r(0)-c(k)，之后對(duì)偏差進(jìn)行累加，通過(guò)位置式PID算法計(jì)算得到控制量u(k)，然后將e(k)的值賦給e(k-1)，等待Timer1延時(shí)觸發(fā)。同時(shí)將控制量u(k)輸出到MAX5725進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的信號(hào)通過(guò)放大電路放大，用放大后的信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁鐵，電磁鐵輸出產(chǎn)生的力矩與外力矩形成合力矩，三維力矩傳感器會(huì)對(duì)合力矩產(chǎn)生響應(yīng)，用MAX1300將響應(yīng)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。當(dāng)Timer1定時(shí)中斷滿足中斷條件后，再次采入c(k)值，開(kāi)始下一次PID控制。

上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng)用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。